电波传播复习纲要2011

无线电波传播－吴雄斌电波传播复习纲要2011复习纲要(1)近地空间的结构电离层的分层和主要特征电离层电子密度变化的主要机制总电子含量的定义对Chapman层电子密度分布模型机制的定性描述电离层的不规则变化有哪些复习纲要(2)Maxwell方程组，连续性方程LC传输线上的电压／电流传输方程的推导介电常数的微观解释（推导）等离子体振荡频率推导复习纲要(3)多普勒效应，音障脉冲传播过程中色散的影响基于泰勒展开讨论波包的传播速度（群速度）估计双频脉冲星到地球的距离传播信道介质类型，及其介电常数的数学特征左手材料的基本特征复习纲要(4)根据射线微分方程说明为什么电波在均匀各向同性介质中以直线传播？中性大气中影响电波信号强度的因素接收天线有效面积，电波传播的自由空间公式的推导，星地无线能量传输对菲涅尔带的定性描述传播余隙的概念为什么微波电路设计上，要尽量避免电波从海面或湖面反射到达接收点？移动通信中的传播效应、信号统计特性复习纲要(5)对流层中射线曲率半径与大气折射率的高度梯度的关系（推导）标准大气的折射指数梯度，等效地球半径因子对流层散射传播损耗的特点，散射通信的频率范围和特点地波电场的特点，地波雷达的应用介质或导体判断标准微波大气波导的种类复习纲要(6)电磁波在磁化等离子体中传播时电子所受电磁作用力非磁化等离子体中折射率公式电波被电离层反射的条件垂直传播中O波、X波的偏转几个等效定理的叙述、证明和应用电离图的基本分析，顶测基本概念斜传播的传输曲线法拉第旋转的概念解：设大气单位体积分子数N，300000exp(/)1-exp(-30/8)97.6%exp(/)NzHSdzNzHSdz0exp(/)NNzH从地面到高度为h的环带面积近似为地球表面积S，0000exp(/)99%exp(/)hNzHSdzNzHSdz计算36.8h所以大气质量的99%集中在距离地面36Km左右，同学们的作业里计算出大气质量的97%集中在30KM也是正确的2.4试用压高公式证明地球大气层总质量的99%集中在离地面30km的高度范围内。设大气标高H=8千米是H的梯度，表示为：Hz1dpmgdzdHdzpkTHH所以又pNkTN，T是变量，dNdN（a）2.5设标高H随高度线性变化，而大气分子质量和重力加速度可视为常数，求证相应于参考高度的密度和标高H0,在其它高度上的和H满足以下关系0(1)/00HH解：由（a），（b）得到：1ddHH100HH即是dpdNdTddHpNTH（b）00000720240003xxxyxzyxyyyzxzzyzz且当一入射电波的电场是：0(1)cosxEEti0(2)cos(2)xyEEtii时，求介质中的电位移矢量是多少？D在各向异性介质中，介电常数以张量形式表示为：3.7xxxyxzxxyxyyyzyyxzzyzzzzEiDEEiEi000000000y0720cos7cos(1)24002cos00300xxEtiEtiDEEti000000000007202cos16cos(2)240cos8cos00300xxyyEtiEtiDEEtiEti得到：解：直接代入公式3.19如图8.7所示设地面和电离层为平面模型，一卫星从电离层发出频率为w的平面电磁波，卫星轨道为水平的，速度为v0,设卫星在t=0时过顶，卫星高度为h,(1)试求证观测点接收的卫星的频率为00220(1)()Dpvvtwwvhvt(2)当h=1000千米，f=400MHZ,v0=7km/s时，求最大的多普勒频移（3）当卫星过顶点的水平距离是500km和1000km时的多普勒频移各为多少？maxDf解：（1）v0在观测方向的分量00220(1)()Dpvvtwwvhvt00220()vtvvhvtpDpvvwwv由于多普勒效应所以（2）根据（1）的结论：00220(1)()Dpvvtffvhvt00220()Dpvvtffvhvt或者当t无穷大时0max9.33DpvffkHzv（3）水平距离500时：水平距离1000时：002204.17()DpvvtffkHzvhvt002206.7()DpvvtffkHzvhvt0500vt3.20在射线理论中，我们选取射线微分方程（3.121）中的参变量u是射线的实际弧长s,试证明此时射线的偏微分方程为,,()0ixyzidxddsdsx并由此导出电波通过两种不同介质的平面界面传播时的折射定律sin常数提示：,,()0ixyzidxddsdsx第一问参见课本的推导第二问当电波通过两种不同介质的平面界面传播时，考虑沿界面的坐标分量sin0iidxdsx所以有(sin)0ddssin常数（1）接收天线的转化效率为25%，则接收天线接收到的能量为10410RW8410RRRWAS接收天线的有效面积是（2）发射天线到接收天线能量的转化效率为25%，太阳能量到卫星板的效率为10%，那么，太阳能电池的面积：541010%RWWASS4.6（3）发射天线发射的能量为10410RW假设这些能量由半径为r的圆面接收，2RWr发射天线的发射波束角度与接收半径、离里面距离之间的关系：2rd那么发射天线的有效面积是：,/0.1,36000lcfd2410tSl4.11一地面雷达想要检测10km远处100米高处的低飞目标，为此假设大气是标准大气，地面折射率是1，并可作有效地近似处理，试问为检测这个目标，雷达波束的仰角是多少？并计算雷达波束角和沿从雷达到目标的直线与水平面夹角的仰角误差有多大？解：设雷达波束仰角，雷达到目标的直线与水平面夹角为，仰角误差：0.37%010010221/211()(0)0n(h)=1,Dcos[(1)cos]100.57harctan0.572deehnhnrhdhhrDkm时由公式（4.86）得夹角4.15作为一级近似，地球电离层波导可认为是自由空间隔开的两平行导电平板，设平板间距750km。（1）计算三个最低模式（m=1,2,3）的截止频率。（2）假如发射的电波频率是5kHz，其中仅m=1,2的模可传播，而所有m=3的模都超过了截止频率，试问在离发射台5000km外接收，m=1和m=2两种模式电波到达接收时时延是多少？解：（2）（1）1232122436ccccmcfhmfkHzmfkHzmfkHz截止频率时，时，时，28182215,11,2.7510/2,1.810/11()9.6cgggggffkHzcfmmsmmstLms时延22(1)11XXXYf2//(1)zxEEXYXY电矢量的纵分量与横分量之比是电矢量在东西方向频率为的线偏振波于磁赤道垂直入射到电离层，如果层内电子浓度仅随高度慢变，磁旋频率与高度无关，忽略碰撞，试写出受电波作用后电子的运动方程式，导出结构关系，说明电子运动情况，并求介质的折射率为：5.4得到：提示：忽略碰撞后的电子运动方程0eedvmeEevBdt稳态电离层：2eeeedvrdtvjr0eeeePXEjPY两边乘以eNe总的极化矢量：0PPE0DEPE在平行于电矢量的方向做直线运动，垂直于电矢量的平面内做椭圆运动电位移矢量：5.6低电离层中，电子可以附在中性分子（如02）上形成负离子（）,以致在某些条件下不能忽视重离子的影响，这中情况下，如果我们不计碰撞，试求高频寻常波的折射率为：3o21ieXX证明纵传播情况下满足211eieXXY提示：那么：离子运动方程：0iiiiPXEjPY000ixxeeyiiyiyyeexiixizzXEPjYPjYPXEPjYPjYPXEP考虑电子和离子运动时极化矢量21ieXX纵传播时：22222111,ieiepepieiXXYYYY高频寻常波220piiY所以211eieXXY5.10均匀离化介质中，不计碰撞和地磁场的影响，一频率为10MHZ的电波在相距10^5km之间传播，当电波频率增加0.3*10^6周/秒，群时延减少100us,试求这一介质的等离子体频率。提示：介质的等离子体频率2222211ppfnf频率增加前后折射率分辨为n1、n222121222222111()100ppfnffnfsnnusc注意：上面为相折射指数，题中是群时延